模擬生活污水環境下粉煤灰混凝土抗壓強度試驗研究

黃明躍

(遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

0 引言

近年來，隨著我國城市化進程發展速度迅猛，生活污水的排放和處理已然成為環境治理過程中尤為重要的部分。污水排放管道和處理系統是城市運轉的關鍵組成部分，污水處理系統中的混凝土構件長期與這些成分復雜的污水接觸，不可避免地受到各種腐蝕作用，從而影響著排水系統的良好運轉和使用壽命。因此，提高生活污水環境下混凝土的耐腐蝕性能已然成為城市排水系統中急需解決的重要問題。

通過在混凝土中摻入粉煤灰材料，研究了模擬生活污水環境下粉煤灰混凝土抗壓強度的變化規律，采用抗壓耐腐蝕系數對粉煤灰混凝土的耐腐蝕性能的改善情況進行評價。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

(1)水泥

選用營口金地球42.5級普通硅酸鹽水泥，各項性能指標見表1。

表1 水泥物理-力學性能指標表

(2)細集料

選用天然河砂，細度模數為2.6。

(3)粗集料

選用5～10mm單一粒徑玄武巖粗集料。

(4)粉煤灰

選擇I級粉煤灰，質量指標見表2。

表2 I級粉煤灰性能指標

1.2 試驗設計

(1)配合比設計

試驗采用的配合比見表3，根據污水管道混凝土強度要求，本試驗配制的粉煤灰混凝土目標強度等級為C35，粉煤灰采用等量取代膠凝材料的摻入方式。

表3 粉煤灰混凝土配合比設計

(2)模擬生活污水配置

生活污水中的化學需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)是對混凝土產生腐蝕的關鍵成分[1]。本試驗取上夾河污水處理廠生活污水為母液，為保證試驗的加速進行，向母液中添加富含氮、磷、鈉、鎂等化學物質，配置的生活污水內部COD值可以達到10000以上，滿足快速腐蝕試驗所需的高濃度污水要求[2]，所配置生活污水組成成分見表4。試驗過程中，每隔10d向生活污水母液中加入一定量表4中所列的化學物質，保證試驗過程中模擬污水的COD值始終不低于5000。

表4 試驗用生活污水配比情況

(3)試驗方法及結果處理

養生及試驗方法：成型150mm×150mm×150mm標準試件，在標準環境下養生28d，然后分別放入清水與配置的生活污水環境中繼續養生，在齡期分別到達60d、90d、120d、150d和180d時取出部分試件進行抗壓強度試驗。

抗壓耐腐蝕系數：根據生活污水環境中的粉煤灰混凝土抗壓強度與同齡期清水環境中的粉煤灰混凝土抗壓強度試驗結果，計算抗壓耐腐蝕系數，公式如下：

(1)

2 試驗結果及分析

2.1 清水環境下粉煤灰混凝土抗壓強度

不同摻量粉煤灰混凝土在清水環境中的各齡期抗壓強度試驗結果見表5。

表5 清水環境下粉煤灰的混凝土抗壓強度結果(單位：MPa)

從表5及圖1可以看出，在清水環境下，各種摻量粉煤灰混凝土抗壓強度不斷上升，并且在試驗期內仍繼續增長。在28d齡期時，粉煤灰混凝土抗壓強度低于普通水泥混凝土對照組，這是由于在粉煤灰混凝土內部早期水化產物較少，未能充分填充內部空隙[2]。隨著齡期的持續增加，粉煤灰混凝土內部水化反應不斷進行，混凝土的結構變得致密，粉煤灰混凝土強度最終高于普通混凝土的抗壓強度，同時由于粉煤灰自身特性，內部水化熱產生的速率相對水泥材料比較緩慢，從而在齡期達到180d時粉煤灰混凝土抗壓強度仍然不斷提高。

圖1 清水環境下粉煤灰混凝土抗壓強度

2.2 生活污水環境下粉煤灰混凝土抗壓強度

不同摻量粉煤灰混凝土在生活污水環境中的各齡期抗壓強度試驗結果見表6。

表6 生活污水環境下粉煤灰混凝土抗壓強度試驗結果(單位：MPa)

從表6及圖2可以看出，生活污水環境下普通混凝土對照組抗壓強度不斷下降，而粉煤灰混凝土抗壓強度呈現先增長后下降的趨勢，在120d齡期時其抗壓強度達到峰值，此時抗壓強度數值低于清水環境下的抗壓強度。這是因為雖然粉煤灰在水環境中能夠繼續進行水化作用，但是生活污水中的化學物質對混凝土水化進程產生了一定的抑制作用[3]，并在峰值時達到平衡狀態。隨著齡期的繼續增長，水化作用變緩，生活污水的抑制作用強于水化反應[4]，出現抗壓強度逐漸下降的情況。從變化趨勢可以看出，粉煤灰的摻量越高，混凝土抗壓強度上升的持續時間越長，后期強度下降幅度越小。從180d齡期各組混凝土抗壓強度數值來看，當粉煤灰摻量為25%左右時，其抗壓強度數值最大，下降幅度最小。

圖2 生活污水環境下粉煤灰混凝土抗壓強度

2.3 污水環境下粉煤灰混凝土的耐腐蝕性能

將生活污水環境與清水環境下粉煤灰混凝土的抗壓強度進行對比分析，得到各組試件的抗壓耐腐蝕系數，計算結果見表7。

表7 粉煤灰混凝土抗壓耐腐蝕系數

從表7及圖3可以看出，普通水泥混凝土在試驗開始時，抗壓耐腐蝕系數即出現急劇下降的情況，說明生活污水的腐蝕作用明顯。各組粉煤灰混凝土試件的抗壓耐腐蝕系數隨著齡期的增長呈現相對較緩的下降趨勢，其中35%摻量的粉煤灰混凝土在齡期達到120d后，其抗壓耐腐蝕系數急劇下降，說明粉煤灰的摻量并不是越高越好，存在一個最優摻量。從180d齡期耐腐蝕系數結果來看，粉煤灰摻量為25%時，其抗壓耐腐蝕系數達到0.91為最高值，同時下降趨勢最為緩慢，說明有效地抵抗了生活污水對混凝土的腐蝕作用。

圖3 粉煤灰混凝土抗壓腐蝕系數變化情況

綜合以上數據可以得出，粉煤灰摻量在25%左右時，混凝土試件的抗壓耐腐蝕系數高于其他各組，明顯提高了耐腐蝕性能，同時滿足污水處理系統水泥混凝土構件的強度和使用要求。

3 結論

(1)粉煤灰的摻入可以明顯提高混凝土的后期強度，在清水環境下，隨著齡期的增長抗壓強度不斷提高。

(2)在生活污水的腐蝕作用下，粉煤灰混凝土抗壓強度呈現先增長后下降的趨勢，在120d齡期時達到峰值。當粉煤灰摻量為25%左右時，其抗壓強度數值最大，總體下降幅度最小。

(3)通過不同摻量粉煤灰混凝土抗壓耐腐蝕系數的變化規律可知，粉煤灰的摻量并非越高越好，存在最優摻量，當摻量為25%時，其抗壓耐腐蝕系數在180d齡期達到最高值。

(4)綜合抗壓強度與耐腐蝕系數試驗結果，選取粉煤灰摻量25%作為最優摻量，此時既有效提高了混凝土耐腐蝕性能，又滿足了污水處理系統水泥混凝土構件的強度和使用要求。